CN106008510B - 用于检测Hg2+的聚集诱导发光型荧光传感器及其制备方法和应用 - Google Patents

用于检测Hg2+的聚集诱导发光型荧光传感器及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于检测Hg2+的聚集诱导发光型荧光传感器及其制备方法和应用，该荧光传感器的结构式为其具有聚集诱导发光性质，在溶液中不发光、在聚集态下荧光增强，可以实现对Hg2+的高度专一选择性和抗干扰性识别；此外，该荧光传感器具有很好的生物相容性和细胞通透性，可以靶向细胞内的线粒体，并且对线粒体内Hg2+呈现荧光点亮效果，从而可实现对线粒体内Hg2+的检测。

Description

用于检测Hg2+的聚集诱导发光型荧光传感器及其制备方法和 应用
技术领域
本发明属于环境检测及生物检测技术领域，具体涉及一种用于水相介质和线粒体内Hg2+检测的聚集诱导发光型荧光传感器及其制备方法和应用。
背景技术
Hg2+因具有极大的污染和对人体非常严重的危害而臭名昭著。Hg2+进入人体后会引起人体中枢神经、大脑、内分泌系统、肾脏、肝脏、心脏以及其他器官的破坏。自然界中汞的化学性质完全取决于其在自然界中的化学状态，无机Hg2+在进入水体后会以各种不同的途径转化为甲基汞。甲基汞与蛋白质中的巯基具有很强的亲和力而沉积在生物体内，并随着食物链的循环浓度不断增高。对于长期食用被汞污染的海洋生物的孕妇们也极有可能将自身体内的汞传递给胎儿，并对胎儿的身体健康构成威胁。因此，对于Hg2+的检测具有非常重要的意义。
经历过几十年的努力，目前为止对于Hg2+的检测方法已经有了一定的发展。如原子吸收/发射光谱学、X射线吸收光谱法、电感耦合等离子体、质谱分析法、电化学和表面增强拉曼散射等方法。这些方法曾经在很长一段时间对于Hg2+的检测做出了很大的贡献，但同时，在使用的过程中经常给人们带来许多问题和困扰。比如，这些方法用到的仪器造价昂贵、复杂精密、对使用者的知识与技能要求极高、耗时而且只适合于实验室的检测。相比较而言，荧光传感器因其具有操作方法简单、响应快速、造价低廉以及高的灵敏度等优点已经成为检测Hg2+众多方法中最为被大家接受的一种。
线粒体是细胞的能量工厂，并在很多细胞的生化过程中扮演着重要的角色。线粒体微环境的改变与很多疾病密切相关。因此，靶向线粒体的荧光传感器是近年来国内外研究的热点方向之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于快速、高选择性检测水相介质及线粒体内Hg2+的聚集诱导发光型荧光传感器，以及该荧光传感器的制备方法和应 用。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：该聚集诱导发光型荧光传感器的结构式如下所示：
上述聚集诱导发光型荧光传感器的合成路线及具体合成方法如下：
1、将4-溴-四苯乙烯、4-乙烯基吡啶、醋酸钯、三苯基膦、三乙胺按摩尔比为1:1.1～2:0.04～0.06:0.1～0.15:4～5，在氮气保护下90～110℃搅拌2～3天，分离纯化产物，得到式1化合物。
2、将2-溴乙醇、叔丁基二甲基氯硅烷、咪唑溶于二氯甲烷中，室温搅拌20～24小时，用水淬灭反应，减压蒸除二氯甲烷，用乙醚萃取，有机相旋转蒸发除去乙醚，真空干燥，得到粗产物；将粗产物、腺嘌呤、碳酸钾溶于N,N-二甲基甲酰胺中，在氮气保护下室温搅拌24～36小时，分离纯化产物，得到式a化合物，其中2-溴乙醇、叔丁基二甲基氯硅烷、咪唑、腺嘌呤、碳酸钾的摩尔比为1:1～1.3:1.1～2:1～1.5:2～3，式a中TBDMS代表叔丁基二甲基硅烷基。
3、将式a化合物溶于四氢呋喃中，在0℃下逐滴加入1mol/L四丁基氟化铵的四氢呋喃溶液，式a化合物与四丁基氟化铵的摩尔比为1:1～1.3，滴加完后继续搅 拌1～2小时，然后将反应液室温继续搅拌2～3小时，加入水淬灭反应，分离纯化产物，得到式b化合物。
4、将碘单质溶于二氯甲烷中，室温搅拌下加入三苯基膦、咪唑，搅拌8～12小时后，加入式b化合物，室温搅拌2～3小时，分离纯化产物，得到式2化合物，其中式b化合物、碘单质、三苯基膦、咪唑的摩尔比为1:1.1～2:1.1～2:2～3。
5、将式2化合物和式1化合物按摩尔比为1:1.1～2溶于乙腈中，加热回流45～50小时，减压蒸除乙腈，所得固体溶解于DMSO中，加入饱和氯化钠水溶液，室温搅拌10～12小时，分离纯化，得到聚集诱导发光型荧光传感器。
上述步骤1中，优选4-溴-四苯乙烯、4-乙烯基吡啶、醋酸钯、三苯基膦、三乙胺的摩尔比为1:1.5:0.05:0.12:4.3。
上述步骤2中，优选2-溴乙醇、叔丁基二甲基氯硅烷、咪唑、腺嘌呤、碳酸钾的摩尔比为1:1:1.5:1.2:2.4。
上述步骤4中，优选式b化合物、碘单质、三苯基膦、咪唑的摩尔比为1:1.5:1.5:2.5。
上述步骤5中，优选式2化合物和式1化合物的摩尔比为1:1.2。
本发明的聚集诱导发光型荧光传感器在检测水相中Hg2+的应用，具体检测方法为：将荧光传感器加入待测样品中，根据检测体系中荧光强度的变化，即可实现待测样品中Hg2+的定性分析和定量检测。
本发明的聚集诱导发光型荧光传感器在检测线粒体内Hg2+的应用，具体检测方法为：将荧光传感器与待测细胞进行培养后，利用激光共聚焦荧光显微镜进行成像，若成像中荧光信号明显增强，说明待测细胞中线粒体内含有Hg2+。
本发明荧光传感器具有聚集诱导发光性质，使其在溶液中荧光很弱，在与Hg2+发生配位后荧光明显增强，利用这一特点可实现对Hg2+的检测，并对Hg2+的检测具有高度专一选择性，其它金属离子均对Hg2+检测没有影响。通过激光共聚焦荧光显微镜成像分析，该荧光传感器具有很好的细胞通透性，能够靶向线粒体，并且对线粒体内Hg2+呈现荧光点亮效果，从而可实现线粒体内Hg2+的检测。
附图说明
图1是本发明聚集诱导发光型荧光传感器随Hg2+浓度变化的紫外吸收光谱图。
图2是本发明聚集诱导发光型荧光传感器随Hg2+浓度变化的荧光光谱图(激发 波长为390nm，发射波长为575nm)。
图3是商业化线粒体染料(Mito Tracker Green)的细胞荧光共聚焦成像图。
图4是本发明聚集诱导发光型荧光传感器的细胞荧光共聚焦成像图。
图5是图3和图4叠加后的效果图。
图6是本发明聚集诱导发光型荧光传感器对线粒体内不加Hg2+的细胞荧光共聚焦成像图。
图7是本发明聚集诱导发光型荧光传感器对线粒体内Hg2+的细胞荧光共聚焦成像图。
图8是本发明聚集诱导发光型荧光传感器对不同金属离子的荧光发射光谱(激发波长为390nm，发射波长为575nm)。
图9是本发明聚集诱导发光型荧光传感器对Hg2+的抗干扰性的荧光发射光谱(激发波长为390nm，发射波长为575nm)。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
合成聚集诱导发光型荧光传感器
1、将2g(5mmol)4-溴-四苯乙烯加入到Schlenk试管中，随后加入56mg(0.25mmol)醋酸钯、157mg(0.6mmol)三苯基膦、0.8mL(7.5mmol)4-乙烯基吡啶、3mL(21.5mmol)三乙胺，在氮气保护下100℃搅拌3天后，将反应液冷却至室温，用石油醚、二氯甲烷与乙酸乙酯的体积比10:1:1的混合液为洗脱剂洗脱，得到式1化合物，其产率为77％。
2、将3g(24mmol)2-溴乙醇加入到100mL圆底烧瓶中，加入30mL二氯甲烷溶解，随后加入3.62g(24mmol)叔丁基二甲基氯硅烷、2.45g(36mmol)咪唑，室温搅拌21小时后，加入20mL水淬灭反应，减压蒸除二氯甲烷，用乙醚萃取，有机相旋转蒸发除去乙醚，真空干燥，得到粗产物；将所得粗产物和3.89g(28.8mmol)腺嘌呤、7.97g(57.6mmol)碳酸钾加入25mL圆底烧瓶中，并加入10mL N,N-二甲基甲酰胺溶解，在氮气保护下室温搅拌30小时后，加入饱和氯化钠水溶液，用乙酸乙酯萃取，有机相经硅胶柱层析分离提纯后，用二氯甲烷与甲醇的体积比为25:1的 混合液为洗脱剂洗脱，得到式a化合物，其产率为42％。
3、在50mL圆底烧瓶中加入500mg(1.7mmol)式a化合物，加入15mL四氢呋喃溶解，在0℃下逐滴加入1.7mL 1mol/L四丁基氟化铵的四氢呋喃溶液，滴加完后继续搅拌1.5小时，然后将反应液室温继续搅拌2小时，加入6mL水淬灭，除去四氢呋喃，冷冻干燥，所得粗产物经硅胶柱层析提纯后，用二氯甲烷与甲醇的体积比5:1的混合液为洗脱剂洗脱，得到式b化合物，其产率为42％。
4、将319mg(1.26mmol)碘单质溶于10mL二氯甲烷中，室温搅拌下加入330mg(1.26mmol)三苯基膦，搅拌10分钟后，加入142mg(2.10mmol)咪唑，继续搅拌10小时后，加入150mg(0.84mmol)式b化合物，室温搅拌3小时，待反应完成后，用饱和硫代硫酸钠水溶液淬灭反应，加入水和二氯甲烷萃取，有机相经硅胶柱层析提纯，用二氯甲烷与甲醇的体积比25:1的混合液为洗脱剂洗脱，得到式2化合物，其产率为61％。
5、称取181mg(0.42mmol)式1化合物溶于10mL乙腈中，加入100mg(0.35mmol)式2化合物，加热回流48小时，减压蒸除乙腈，经中性氧化铝柱层析提纯后，用二氯甲烷与甲醇的体积比为10:1的混合液为洗脱剂洗脱，所得橙黄色固体溶解于20mL DMSO中，加入1.5mL饱和氯化钠水溶液，室温搅拌过夜，加入300mL水稀释，用二氯甲烷萃取，有机相经中性氧化铝柱层析提纯分离后，用二氯甲烷与甲醇的体积比为10:1的混合液为洗脱剂洗脱，得到聚集诱导发光型荧光传感器，其产率为26％，结构表征数据为：1H NMR(400MHz，DMSO-d6)δ(TMS，ppm)：8.70(d，J＝8Hz，2H)，8.09-8.05(t，J＝8Hz，3H)，7.89-7.85(t，J＝8Hz，2H，7.51-7.49(d，J＝8Hz，2H)，7.39-7.35(d，J＝16Hz，1H)，7.24(s，2H)，7.17-6.97(m，17H)，4.96(s，2H)，4.77(s，2H)；13C NMR(100MHz，DMSO-d6)δ(TMS，ppm)：155.88，153.33，152.40，149.54，145.63，144.56，142.95，142.89，142.72，141.62，140.72，140.65，139.91，135.06，133.21，131.41，130.70，130.68，130.60，127.96，127.84，127.75，126.86，126.78，126.74，123.62，123.05，118.22，59.33，43.33；LC-MS(ESI-TOF)m/z：[(M-Cl)+]理论值597.2767，实测值597.2766。
实施例2
本发明聚集诱导发光型荧光传感器在检测水相中Hg2+的应用，具体方法如下：
将聚集诱导发光型荧光传感器加入到去离子水与二甲基亚砜的体积比为8:2的混合液中，配成10μmol/L的荧光传感器溶液；向3mL 10μmol/L的荧光传感器溶液逐渐加入氯化汞水溶液，使检测体系中Hg2+的浓度为0、0.01、0.05、0.1、0.3、0.5、1、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20mmol/L，记录该荧光传感器的紫外吸收光谱变化和荧光发射光谱变化，结果见图1和图2。由图1可见，随着Hg2+浓度的增大，荧光传感器在400nm处的紫外吸收峰逐渐降低，当Hg2+浓度为20mmol/L时，最终在440nm处出现一新的吸收峰，溶液颜色由淡红色变为深红色，表明本发明荧光传感器可实现对Hg2+的裸眼识别。由图2可见，随着Hg2+浓度的增大，荧光传感器在575nm处的荧光发射强度不断增强，并在加入的Hg2+浓度为20mmol/L时趋于饱和，表明本发明荧光传感器可实现对Hg2+的荧光点亮型识别。
实施例3
本发明聚集诱导发光型荧光传感器在检测线粒体内Hg2+的应用，具体方法如下：
将商业化的线粒体染料Mito Tracker Green与5μmol/L的荧光传感器溶液进行共染，利用激光共聚焦荧光显微镜进行成像。图3的绿色通道的信号来自于线粒体染料(激发波长为488nm、发射范围为459～530nm)，图4的橙色信号来自于荧光传感器(激发波长为405nm、发射范围为530～630nm)，图5是图3和图4的叠加，由图5可以明显的看出，荧光传感器对细胞的染色位置与线粒体染料的染色位置几乎完全一致，表明本发明荧光传感器可以特异性的靶向细胞内的线粒体。
采用5μmol/L的荧光传感器溶液对细胞进行染色30分钟(见图6)后，继续用25μmol/L的Hg2+培养细胞15分钟(见图7)。相比较图6中未加Hg2+的成像结果，从图7中可以明显观察到Hg2+的加入使荧光传感器染过色的线粒体的荧光明显变得更亮。该结果充分说明本发明荧光传感器具有良好的膜通透性，且用于活细胞线粒体中Hg2+的检测。
为了测定本发明聚集诱导发光型荧光传感器对其它金属离子的荧光响应情况，向3mL 10μmol/L的荧光传感器溶液中分别加入不同金属离子(Hg2+、Ag+、Cd2+、Co2+、Li+、Cu2+、Ba2+、Na+、Mn2+、Mg2+、Pb2+、Ca2+、Zn2+、Al3+、K+)的水溶液，使检测体系中金属离子的浓度为20mmol/L，记录该荧光传感器的荧光发射光谱变化，结果见图8。由图8的测试结果可见：只有当体系中加入Hg2+时，荧光发射光谱在575nm处出现明显的增强，而加入其它的金属离子，荧光发射光谱并没有发 生明显变化。说明本发明荧光传感器对Hg2+的检测具有很好的选择性。
为了检验本发明聚集诱导发光型荧光传感器对Hg2+检测的抗干扰性能，向3mL10μmol/L的荧光传感器溶液中分别加入干扰金属离子(Ag+、Cd2+、Co2+、Li+、Cu2+、Ba2+、Na+、Mn2+、Mg2+、Pb2+、Ca2+、Zn2+、Al3+、K+)的水溶液，然后加入Hg2+的水溶液，使检测体系中干扰金属离子和Hg2+的浓度均为20mmol/L，记录该荧光传感器的荧光发射光谱变化。由图9的测试数据可见，除Ag+外，在其它干扰离子存在的条件下，本发明聚集诱导发光型荧光传感器对Hg2+仍然具有很好的荧光点亮效应，表明本发明聚集诱导发光型荧光传感器对Hg2+的检测具有很好的抗干扰性。

Claims (7)

1.一种用于检测Hg2+的聚集诱导发光型荧光传感器，其特征在于该荧光传感器的结构式如下所示：
2.权利要求1所述的聚集诱导发光型荧光传感器的制备方法，其特征在于它由下述步骤组成：
(1)将4-溴-四苯乙烯、4-乙烯基吡啶、醋酸钯、三苯基膦、三乙胺按摩尔比为1:1.1～2:0.04～0.06:0.1～0.15:4～5，在氮气保护下90～110℃搅拌2～3天，分离纯化产物，得到式1化合物；
(2)将2-溴乙醇、叔丁基二甲基氯硅烷、咪唑溶于二氯甲烷中，室温搅拌20～24小时，用水淬灭反应，减压蒸除二氯甲烷，用乙醚萃取，有机相旋转蒸发除去乙醚，真空干燥，得到粗产物；将粗产物、腺嘌呤、碳酸钾溶于N,N-二甲基甲酰胺中，在氮气保护下室温搅拌24～36小时，分离纯化产物，得到式a化合物，其中2-溴乙醇、叔丁基二甲基氯硅烷、咪唑、腺嘌呤、碳酸钾的摩尔比为1:1～1.3:1.1～2:1～1.5:2～3，式a中TBDMS代表叔丁基二甲基硅烷基；
(3)将式a化合物溶于四氢呋喃中，在0℃下逐滴加入1mol/L四丁基氟化铵的四氢呋喃溶液，式a化合物与四丁基氟化铵的摩尔比为1:1～1.3，滴加完后继续搅拌1～2小时，然后将反应液室温继续搅拌2～3小时，加入水淬灭反应，分离纯化产物，得到式b化合物；
(4)将碘单质溶于二氯甲烷中，室温搅拌下加入三苯基膦、咪唑，搅拌8～12小时后，加入式b化合物，室温搅拌2～3小时，分离纯化产物，得到式2化合物，其中式b化合物、碘单质、三苯基膦、咪唑的摩尔比为1:1.1～2:1.1～2:2～3；
(5)将式2化合物和式1化合物按摩尔比为1:1.1～1.5溶于乙腈中，加热回流45～50小时，减压蒸除乙腈，所得固体溶解于DMSO中，加入饱和氯化钠水溶液，室温搅拌10～12小时，分离纯化，得到聚集诱导发光型荧光传感器。
3.根据权利要求2所述的聚集诱导发光型荧光传感器的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述的4-溴-四苯乙烯、4-乙烯基吡啶、醋酸钯、三苯基膦、三乙胺的摩尔比为1:1.5:0.05:0.12:4.3。
4.根据权利要求2所述的聚集诱导发光型荧光传感器的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述的2-溴乙醇、叔丁基二甲基氯硅烷、咪唑、腺嘌呤、碳酸钾的摩尔比为1:1:1.5:1.2:2.4。
5.根据权利要求2所述的聚集诱导发光型荧光传感器的制备方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述的式b化合物、碘单质、三苯基膦、咪唑的摩尔比为1:1.5:1.5:2.5。
6.根据权利要求2所述的聚集诱导发光型荧光传感器的制备方法，其特征在于：在步骤(5)中，所述的式2化合物和式1化合物的摩尔比为1:1.2。
7.权利要求1所述的聚集诱导发光型荧光传感器在检测水相中Hg2+的应用。
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